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1 千 葉 大 学 講 義 資 料 技 術 完 成 力 プログラム 通 信 機 器 開 発 事 例 紹 介 携 帯 電 話 用 弾 性 波 デバイスの 研 究 開 発 について(フィルタ 開 発 ) 18 日 太 陽 誘 電 株 式 会 社 マイクロデバイス 開 発 室 室 長 上 田 政 則 1

2 講 義 内 容 携 帯 電 話 のトレンドと 市 場 について 携 帯 電 話 の 中 の 弾 性 波 デバイス フィルタの 役 割 と 実 現 手 段 圧 電 効 果 デバイス 応 用 と 特 徴 弾 性 波 デバイスの 開 発 例 SAWデバイス* FBARデバイス** 今 後 の 動 向, 最 新 情 報 とまとめ *SAW:Surface Acoustic Wave **FBAR: Film Bulk Acoustic Resonator 2

3 携 帯 電 話 のトレンドと 市 場 について 3

4 世 界 最 初 の 携 帯 電 話 1902 年 ( 米 国 ) 出 展 4

5 携 帯 電 話 の 変 遷 1989 アナログ 1993 アナログ 1996 デジタル(PDC) 小 型 高 機 能 90 年 代 2002 年 現 在 のスマートフォン ( 旧 RIM 社 現 Black Berry 社 ) Two-way ページャー ( 双 方 向 のポケベル) 携 帯 電 話 機 能 付 き ヘ ーシ ャー Apple 社 5

6 出 荷 台 数 ( 百 万 台 ) 携 帯 電 話 端 末 生 産 数 量 推 移 (ワールドワイド) 20 億 台 10 億 台 予 測 大 きな 成 長 市 場! Navianより 6

7 携 帯 電 話 の 中 の 弾 性 波 デバイス -フィルタ デュープレクサ( 分 波 器 )- 7

8 携 帯 電 話 とフィルタ 微 弱 な 電 波 例 -100dBm (881.5 MHz) 受 信 ローノイズ アンプ SAWフィルタ アンテナ アンテナ 分 波 器 ( 周 波 数 によって 送 信 か 受 信 かに 分 けて それぞれのSAWフィルタを 通 る) 送 信 の 場 合 の 信 号 の 変 化 (836.5 MHz) 送 信 信 号 の 強 さ パワーアンプ SAWフィルタ 周 力 ミキサー ミキサー 復 調 回 路 受 信 電 波 電 力 を 上 げ て 波 数 を 下 げ る 周 波 数 と 電 を 上 げ る 300Hz ~3KHz 送 信 電 波 ららら~ 変 調 器 ADコンハ ータ 大 きな 電 力 例 20dBm 音 声 信 号 音 の 大 きさ(ご 参 考 ) 周 波 数 は 高 いけれど 信 号 ( 電 力 )が 弱 いの で 強 くする 周 波 数 が 高 い(=たくさん 波 だつこと) 信 号 に 高 い 周 波 数 を 混 ぜ 全 体 の 周 波 数 を 高 くする 1 限 られた 周 波 数 数 資 源 を 置 時 計 の 秒 針 の 音 有 効 に 使 う 重 要 な 部 品 0 1 雑 音 をカット 1 0 で 位 相 を 変 える デジタル 信 号 に 変 換 アナログ 信 号 120デシベル 飛 行 機 のエンジンの 近 く 100デシベル 電 車 が 通 るときのガード 下 20デシベル 木 の 葉 のふれあう 音 ( 前 方 1m) フムフム 8

9 応 用 例 フィルタ デュープレクサ ( 送 受 信 信 号 の 分 波 フィルタ 機 能 ) 各 種 モジュール 弾 性 波 デバイス(SAW/FBAR)の 役 割 - 現 在 の 携 帯 電 話 のRF 部 の 一 例 - com/jp/galaxys3/ smartstay. html#bestphot 多 くの 弾 性 波 デバイス が 使 用! SAW: Surface Acoustic wave FBAR TAIYO : Film YUDEN Bulk Acoustic Resonator 9

10 フィルタの 役 割 と 実 現 手 段 10

11 様 々な 無 線 システム - 電 波 は 多 くのシステムで 使 用 - * 総 務 省 HPより WiFi 11

12 ノイズの 発 生 例 - 非 線 形 素 子 からの 歪 み 出 力 - 2 周 波 の 線 形 信 号 を 入 力 Vin( t) Acos t B cos t a b Nonlinear device 線 形 + 非 線 形 出 力 Vout (t) Vout ( t) avin ( t) bvin 2 ( t) cvin 3 ( t)... Vout ( t) 2nd harmonics 3rd harmonics 2nd order : 3rd order : 3rd order : - 多 くの 非 線 形 歪 みが 出 力 される- : : b / 2 ( A c / 2 ( A bab cos( 3 / 4 cab[ A cos( 2 3 / 4 cab[ A cos( 2 a 3 2 cos 2 t B b a a a a cos 3 t B ) t bab b b 3 2 cos 2 t) cos 3 t) cos( ) t ) t a b b ) t b B cos( 2 B cos( 2 b b ) t] a ) t] a 12

13 高 周 波 フィルタの 役 割 多 くの 無 線 システム 限 られた 無 線 周 波 数 資 産 の 有 効 活 用 不 要 波 (ノイズ)の 発 生 ノイズの 抑 圧 と 所 望 波 の 通 過 所 望 の 信 号 は 減 衰 せず 不 要 波 はできるだけ 抑 圧 挿 入 損 失 は 小 さく( 理 想 は0) 帯 域 外 抑 圧 は 大 きく( 理 想 は 無 限 大 ) 0 中 心 周 波 数 周 波 数 (Hz) 挿 入 損 失 通 過 帯 域 減 衰 量 (db) 帯 域 外 抑 圧 スカート 特 性 阻 止 域 13

14 フィルタの 使 われ 方 (1) -Low pass filter (LPF)の 例 - L: 周 波 数 増 加 Z 増 加 ( 信 号 を 通 しにくくする) Z j L 0 多 段 化 Z 1/ j C 減 衰 量 C: 周 波 数 増 加 Z 減 少 ( 信 号 を 通 しやすくする) 周 波 数 Low pass / Band pass filter 所 望 波 LPF 不 要 波 SW PA Fundamental 2nd harmonics 3rd harmonics freq. ハ ワーアンフ : 非 線 形 素 子 であり 高 調 波 歪 みを 出 力 する フィルタで 高 調 波 をカットする 必 要 あり 14

15 フィルタの 使 われ 方 (2) -High pass filter (HPF)の 例 - 多 段 化 Z 1/ j C 0 Z j L 減 衰 量 C: 周 波 数 増 加 Z 減 少 ( 信 号 を 通 しやすくする) 周 波 数 L: 周 波 数 増 加 Z 増 加 ( 信 号 を 通 しにくくする) 所 望 波 HPF High pass / Band pass filter SW 不 要 波 LNA ローノイス アンフ : 微 弱 信 号 を 増 幅 させる 強 い 信 号 や 特 定 周 波 数 の 不 要 波 の 入 力 は 機 器 の 受 信 感 度 劣 化 に 繋 がる freq. 15

16 フィルタの 使 われ 方 (3) -High pass filter (BPF)の 例 - 0 多 段 化 直 列 共 振 回 路 減 衰 量 1 f 2 CL でインヒ ータ ンス 0 並 列 共 振 回 路 f 1 2 CL でインヒ ータ ンス 無 限 大 周 波 数 BPF (SAWフィルタの 例 ) PA Duplexer SW 不 要 波 抑 圧 送 信 信 号 受 信 信 号 LNA テ ューフ レクサ( 分 波 器 ):BPF 機 能 を 持 ち 送 受 信 信 号 を 振 り 分 ける 16

17 セラミックを 使 用 したフィルタの 例 積 層 セラミックフィルタ 誘 電 体 共 振 器 を 使 用 したフィルタ セラミックス 42(2007)No. 6 セラミックス 41(2006)No. 8 17

18 Active componentを 使 用 したフィルタの 例 (ご 参 考 ) デジタルフィルタの 例 デジタルフィルタ アナログ 信 号 A/D 変 換 Data1 Data2 Data n 捨 てる 乗 算 器 a1 a2 an 加 算 器 Σ D/A 変 換 アナログ 信 号 計 算 例 FIRフィルタ (Finite Impulse Response) 18

19 フィルタの 重 要 性 能 Qファクター 直 列 共 振 回 路 Q L R 並 列 共 振 回 路 Q R L 高 周 波 デバイスの 一 般 的 なQの 値 (ご 参 考 ) *それぞれの 素 子 には 特 徴 があり 使 い 分 けされている チップインダクタ ~50 チップキャパシタ ~100 SAW 共 振 器 ~1,000 FBAR ~2,000 弾 性 波 テ ハ イスは 高 Qなテ ハ イス 19

20 圧 電 効 果 を 使 用 したフィルタ(SAW/FBAR) ラダー 型 フィルタ Today s Topics-2 Piezoelectric film (AlN or ZnO) Today s Topics-1 Piezoelectric crystal (LiTaO 3, LiNbO 3 ) Bottom electrode Top electrode Electrode fingers (Al-Cu) h Fo=V/2h Si Bulk vibration Cavity 圧 電 薄 膜 共 振 器 (FBAR) (Film Bulk Acoustic Resonator) Si Features for FBAR(BAW) Suitable for high frequency applications High Q (low loss) High power capability Co resonator L 1 C 1 R 1 SAW vibration Fo=V/ Reflector (Al-Cu) SAW 共 振 器 (Surface Acoustic Wave) Features for SAW Suitable for low frequency applications Design flexibility (SE, Bal/unbal and impedance conversion) Simple layer structure (cost-effective) 20

21 圧 電 効 果 とその 応 用 21

22 弾 性 波 とは? 圧 電 効 果 ( 電 気 振 動 機 械 振 動 ) 工 業 的 に 利 用 するために 圧 電 体 圧 電 体 圧 電 体 圧 電 22 14

23 音 波 = 固 体 での 機 械 的 振 動 = 弾 性 波 BAW (Bulk Acoustic Wave) バルク 弾 性 波 SAW (Surface Acoustic Wave) 弾 性 表 面 波 23

24 弾 性 波 デバイスの 応 用 家 電 医 療 通 信 車 載 等 と 応 用 が 広 い 超 音 波 モータ ( 一 眼 レフカメラレンズ 用 ) 通 信 用 デバイス インクジェットプリンタ 静 岡 大 近 藤 研 究 室 セラミックス 42(2007)No. 6 core_technology/picture/inkjethead.html 24

25 通 信 用 弾 性 波 デバイス 特 にSAW/FBARについて SAW : Surface Acoustic Wave FBAR : Film Bulk Acoustic Resonator 1855 年 RayleighにりSAWを 数 学 的 に 発 見 ( 地 震 学 ) 1970 年 ~ TV IFフィルタの 開 発 実 用 化 1990 年 ~ 携 帯 電 話 用 RF, IFフィルタの 開 発 実 用 化 1980 年 中 村 先 生 Lakin Grudkowskiらが 独 立 に 発 表 1987 年 東 芝 の 研 究 Grからの 発 表 1999 年 Ruby 氏 らが 発 表 ( 旧 HP 現 Avago) 2001 年 実 用 化 (PCSテ ューフ レクサ) 25

26 携 帯 電 話 に 使 用 される 弾 性 波 デバイス (フィルタ デュープレクサ)の 特 徴 26

27 Why FBAR/SAW devices? Only 20 MHz small size Tx MHz Rx MHz Steep cut-off Band 2 filter performance 27

28 減 衰 量 (db) GHz 帯 におけるSAWデュプレクサの 実 現 例 世 界 初 US-PCS SAWデュプレクサ Tx SAW ( 富 士 通 ) Rx 誘 電 体 テ ューフ レクサ US-PCS SAWテ ューフ レクサ (2003 年 頃 ) -50 Ref. Tsutsumi et al. IEEE FCS in 周 波 数 (MHz) SAWでは 困 難 と 言 われていたが 完 成 (2003 年 ) 28

29 弾 性 波 の 使 用 でデバイスサイズが 小 型 化 電 磁 波 の 波 長 と 音 波 の 波 長 電 磁 波 の 波 長 = 光 速 / 周 波 数 SAW,BAWの 波 長 = 音 速 / 周 波 数 長 い 短 い 小 型 化 波 長 λ (m) kHz 1MHz 1GHz 1THz 1PHz MF 水 中 の 音 波 m/s HF 固 体 表 面 の 音 波 VHF SAW(LiTaO 3 ) UHF m/s 可 聴 音 波 SHF 固 体 内 部 の 音 波 BAW(Fe) EHF 空 中 の 電 磁 波 空 気 中 の 音 波 m/s m/s m/s 超 音 波 1km 1m 1mm 周 波 数 f (Hz) 誘 電 体 共 振 子 内 の 電 磁 波 の 波 長 光 1μm 29 12

30 弾 性 波 デバイスはフォトリソ 技 術 を 使 用 し 大 量 生 産 が 可 能 SAW 励 振 電 極 反 射 電 極 反 射 電 極 (ラダー 型 構 造 ) LiTaO 3 結 晶 ハ ターン 形 成 ウエファ (SAW 共 振 器 ) LiTaO 3 基 板 30

31 弾 性 波 デバイスの 開 発 SAWの 動 作 SAWデバイス 開 発 事 例 ( 温 度 係 数 の 低 減 ) 31

32 SAWとは? 弾 性 表 面 波 (Surface Acoustic Wave) 簡 単 な 実 験 机 をたたくよ いいよ うわ 地 震 だ! おっまた 揺 れた 地 震 の 波 レーリー 波 振 動 が 伝 わってきた! 震 源 地 コップの 水 が ゆれてるね 32

33 SAWテ ハ イスの 構 造 と 特 徴 -SAW(Surface Acoustic Wave: 弾 性 表 面 波 )とは- SV 波 SV 波 P 波 SH 波 変 位 方 向 レーリー 波 (SV+P 波 ) 固 体 表 面 のみを 伝 搬 する 弾 性 波 伝 搬 方 向 圧 電 体 BGS 波 SH 波 (リーキー 波 ) SH 波 P 波 λ 深 さ 方 向 に 減 衰 圧 電 体 に 周 期 的 電 界 を 加 えて 歪 み 波 を 作 る BGS: Bleustein, Gulyaev, Shimizu 3 氏 が 発 見 SV: Shear Vertical SH: Shear Horizontal P: Primary λ 33

34 SAWデバイスの 原 理 基 本 形 圧 電 基 板 上 に 形 成 した 櫛 形 電 極 で 信 号 を 送 受 信 1.トランスバーサルタイプ 応 用 :フィルタ 遅 延 線 高 周 波 信 号 源 ~ 2. 共 振 器 タイプ 応 用 :フィルタ 共 振 器 ~ 周 期 入 力 電 極 Al 又 は Al 合 金 製 電 極 音 速 V 圧 電 体 基 板 出 力 電 極 負 荷 吸 音 剤 反 射 電 極 反 射 電 極 共 振 負 荷 通 過 電 力 通 過 電 力 阻 止 域 通 過 域 fo 周 波 数 fo = V/λ 周 波 数 反 共 振 周 波 数 阻 止 域 SAW 定 在 波 周 期 λはミクロンオーダー fo fo = V/λ 34

35 微 細 加 工 技 術 による 周 波 数 制 御 - 中 心 周 波 数 と 電 極 パターン 幅 - λ=v/f 0.18μm ライン 幅 :1μm 程 度 ライン 幅 :0.4μm 程 度 ライン 幅 :0.18μm 程 度 0.8 GHz 帯 i 線 露 光 2.5 GHz 帯 5 GHz 帯 エキシマレーサ 露 光 EB 露 光 35

36 Grating Simulation model SAWの 動 作 例 ( 定 在 波 分 布 ) 36 Y : Scalar potential theory X: Coupling of mode theory Y X Reflector Reflector IDT

37 RF 弾 性 波 フィルタ 設 計 例 (ラダー 型 フィルタ) Parallel resonator (Y p =jb p ) 共 振 器 or Series resonator (Z s =jx s ) Imaginary of immittance Theory of image-parameter filters B p *X s <0 B p f rp Attenuation band 0<B p *X s <1 1<B p *X s f ap f rs Pass band B p *X s <0 f as Frequency X s Attenuation band FBAR SAW S 21 Ref. O. Ikata et al. IUS1992 f o Frequency 37

38 設 計 例 L o C s C s C s C s L o Input C p C p C p C p Output L p L p L p FBAR L o,l p : Inductance Basic section Attenuation [db] C p /C s =0.35 Q= L p =1 nh L o =0.5 nh L p =0 nh L o =0 nh Frequency [MHz] インダクタンスエレメントを 接 続 したFBARフィルタの 構 成 と 特 性 38

39 共 振 器 Qのフィルタ 帯 域 特 性 への 影 響 L 1 C 1 R 1 C s C s C s C s Co 等 価 回 路 を 使 用 した FBARフィルタの 計 算 例 Attenuation [db] 2*C p C p /C s =0.35 = Q= *C p 高 Q 低 損 失 優 れたカットオフ 性 能 Frequency [MHz] 39

40 開 発 事 例 SAWデバイス 温 度 係 数 の 低 減 40

41 SAWデバイスのパワーハンドリングと 熱 の 課 題 Duplexer: High power handling and miniaturization 1. High Joule s heat caused by high input power Frequency drift due to heating Early migration breakage of electrode 2. Increasing power density due to miniaturization Further temperature increasing W-CDMA Band2 Frequency Allocation and frequency shift Frequency drift 8 MHz Tx Rx Band2 system Tx: MHz Rx: MHz 20 MHz Efficient heat dissipation and temperature compensation are essential. 41

42 Today s Topics Hybrid substrate (TEC compensation) IDT High TEC LiTaO 3 温 度 特 性 TCFの 改 善 TCF TEC TCV temperature coefficient of frequency (TCF) thermal expansion coefficient (TEC) temperature coefficient of velocity (TCV) Multilayer type TC-SAW LOVE wave (TCV compensation) SiO 2 IDT Positive TCV Sapphire Features Low TEC Good heat radiation (suitable for high power application) Low propagation loss LiNbO 3 or LiTaO3 Negative TCV Features Possible to realize zero TCF Wide pass-band (LN) 42

43 異 種 基 板 接 合 による 温 度 特 性 の 改 善 -サポート 基 板 の 選 択 - IDT What kind of material? LiTaO3 (40 m) Support substrate Material characteristics (main requirements) Material Thermal Young s Thermal Electric expansion modulus conductivity resistivity [ppm/k] [GPa] [W/m/K] [. m] Glass Silicon Sapphire LiTaO < 10 3 > Sapphire is the best in our investigations 43

44 基 板 接 合 方 法 How to bond with high reliability without damage or bow? LT / Sapphire Thermal expansion mismatch Lattice mismatch Surface activated bonding(sab) Room temperature bonding Amorphous layer 1. Ar ion beam irradiation 2. Joining LiTaO3 Contaminations Ar Ar Amorphous layer (activated surface) Amorphous layer Contaminations Sapphire This work was collaborated with Dr.Takagi of AIST. 44

45 SABによる LiTaO3/sapphire 基 板 接 合 と 効 果 TEM image of a LiTaO3/sapphire bonding interface LiTaO3 Sapphire Amorphous layer 5 nm Normalized Frequency Temperature characteristics LiTaO3/sapphire LiTaO Temperature (deg C) M. Miura, T. Matsuda, M. Ueda, Y. satoh, O. Ikata, Y. Ebata and H. takagi, Temperature compensated LiTaO3/Sapphire Saw Substrate for High Power applications, IEEE Proc. Of Ultrason. Symp. 2005, pp LiTaO3/sapphire: - 23 ppm/k LiTaO3: - 41 ppm/k LiTaO3/sapphire has better TCF. 45

46 弾 性 波 デバイスの 開 発 - 高 周 波 FBARデバイス - FBARの 特 徴 と 構 造 FBAR 応 用 46

47 FBAR/SAW 基 本 構 造 Today s Topics-2 Piezoelectric film (AlN or ZnO) Piezoelectric crystal (LiTaO 3, LiNbO 3 ) Bottom electrode Top electrode Electrode fingers (Al-Cu) h Fo=V/2h Si Bulk vibration Cavity FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator) Si Features for FBAR(BAW) Co Suitable for high frequency applications High Q (low loss) High power capability L 1 C 1 R 1 resonator SAW vibration Fo=V/ Reflector (Al-Cu) SAW (Surface Acoustic Wave) Features for SAW Suitable for high frequency applications Design flexibility (SE, Bal/unbal and impedance conversion) Simple layer structure (cost-effective) 47

48 FBAR(BAW)の 構 造 例 Piezoelectric energy Low Z a High Z a 音 響 ミラータイプ (SMR 構 造 ) Top Electrode Piezoelectric Layer Bottom Electrode Acoustic mirror キャビティータイプ (FBAR 構 造 ) Piezoelectric energy Si sub. Si Cavity Si Z a : Acoustic impedance *SMR: Solidly Mounted Resonator 48

49 音 響 ミラータイプ (SMR 構 造 ) 出 展 R. Aigner, Bulk-Acoustic-Wave Filters for Cell Phone Applications, IEEE Int l. Microwave Symp. Workshop Note & Short Courses, WMB-14 (2004). 49

50 キャビティータイプ (FBAR 構 造 ) Wet process Anisotropic wet etching Piezoelectric Dry process D-RIE type FBAR Piezoelectric Si Cavity Si Cavity 70 μm (100) Si 55 Si 70 μm 490 μm ( 出 展 R. Ruby et al., Thin film bulk wave acoustic resonators (FBAR) for wireless applications, IEEE Proc. Ultrason. Symp., 2001, pp ) Via-hole 型 FBARの 断 面 構 造 (a) Wetエッチ 採 用 (b) D-RIE 採 用 50

51 FBAR 構 造 Features Simple structure with high quality -No need cavity / acoustic mirror -No need support layer -Ellipse and dome-shape high k2 and Q structure - Cross-section - Top electrode (Ru) Piezoelectric thin film (AlN) Bottom electrode (Ru) Substrate Ru (high acoustic impedance) Piezoelectric film (AlN) Ru Substrate Ref. Taniguchi et al. Chiba Univ. Symp. In 2007 Dome-shaped air-gap 51

52 Stress AlN:-200 MPa Ru: -700 MPa Size 250 x 180 m FEM 構 造 シミュレーション A Bird s-eye view A Top electrode Bottom electrode Side view Air-gap Dome shape was confirmed in simulation 52

53 5 GHz 帯 FBAR/SAWフィルタ 例 SAW filter 7 SAW Resonators 1.4mm FBAR filter 7 FBARs 0.9mm Al-Cu IDT Patterns 0.9mm No need fine pattern 0.18 m Finger electrode with 180 nm width and 60 nm thickness 53

54 各 フィルタ 特 性 の 比 較 Attenuation [db] LC ceramics filter FBAR filter: Bandwidth :260 3 db (210 2 db) SAW filter: Bandwidth :230 4 db Frequency [GHz] 54

55 高 周 波 FBARフィルタ 例 (9 GHz) Signal line GND GND FBAR Signal line Attenuation [db] center frequency of 9.07 GHz fractional bandwidth of 3.1%, minimum insertion loss of 1.7 db out-of-band rejection of 21 db Frequency [GHz] 10 Ref. M. Ueda et al. in 2009 Chiba Univ. Symp. 千 葉 大 橋 本 教 授 との 共 著 55

56 今 後 の 動 向 56

57 全 世 界 で 多 くの 周 波 数 帯 が 使 用 される(ご 参 考 ) IMS2010 WSK: Multi-Mode Front End Design Challenges and Techniques 57

58 多 数 のデュープレクサ フィルタ マッチンク 回 路 PA 等 が 必 要 マルチバンド 化 の 流 れ 高 密 度 実 装 集 積 化 が 必 要 (モジュール 化 ) チューナブル 化?... Ant. SW マルチバンド 対 応 LSI Co-band LSI (GSM/ WCDMA) 減 衰 量 チューナブルフィルタの 動 作 周 波 数 58

59 チューナブルフィルタの 例 (20 GHz 帯 ) Ref. Mi et al. FUJITSU Labs. LTD. APMC

60 まとめ 携 帯 電 話 市 場 弾 性 波 デバイスの 特 徴 開 発 技 術 例 を 紹 介 しました 将 来 に 向 けた 皆 様 のご 活 躍 を 期 待 します 60

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